JP2016165856A - Apparatus and method for producing fiber-reinforced plastic - Google Patents
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Description
本発明は、繊維強化プラスチック(以下、FRPと略称することもある。)の製造装置および製造方法に関し、特に、熱可塑性FRP成形品をヒート&クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および方法に関する。 The present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method for fiber reinforced plastic (hereinafter sometimes abbreviated as FRP), and in particular, when a thermoplastic FRP molded product is subjected to heat and cool molding, a bulky base material and a thermoplastic resin. The present invention relates to an apparatus and a method for manufacturing a fiber reinforced plastic in which the positioning mechanism in the arrangement step and the take-out mechanism in the demolding step can be realized with a simple device.
FRPの製造方法として、上型と下型から形成されるキャビティ内に強化繊維基材と熱可塑性樹脂を配置し、型を加熱し熱可塑性樹脂を融解し、型を加圧することによって型締めして、加圧した樹脂を強化繊維基材に含浸させ、含浸した樹脂を冷却固化させることにより、所定厚みのFRP成形品を成形する、上型と下型を用いたヒート&クール法が知られている。 As a manufacturing method of FRP, a reinforced fiber base material and a thermoplastic resin are arranged in a cavity formed from an upper mold and a lower mold, the mold is heated to melt the thermoplastic resin, and the mold is clamped by pressurizing the mold. A heat and cool method using an upper mold and a lower mold is known in which a reinforcing fiber base material is impregnated with a pressurized resin, and the impregnated resin is cooled and solidified to form an FRP molded product having a predetermined thickness. ing.
基材を金型上に配置する技術として、金型と基材の両方に対して位置決め基準のマーキングを行う手法が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。特許文献1に開示された技術では、ドライクロスからなるプリフォームに位置決めラインを油性マーカペンにより手書きでマーキングし、成形型に予めマーキングされていた基準線とプリフォームの基準線とを合わせ、プリフォームを成形型内に位置決め配置することができるようになる。特許文献2に開示された技術では、プリフォームの位置決めラインのマーキングに、糸状繊維を利用することで、より安定した状態で確実にマーキングすることができるようになる。
As a technique for arranging a base material on a mold, a technique of performing positioning reference marking on both the mold and the base material has been proposed (for example,
FRP成形品を脱型する技術として、金型に備えられたエジェクターピンや圧空により、成形品を金型から取り出す手法が知られている。(例えば、特許文献3)特許文献3に開示された技術では、脱型時間を短縮するほか、成形体が薄いものであったり、サンドイッチ構造を含むものであったりしても成形体の意匠面を傷つけずに、脱型することができるようになる。
As a technique for demolding an FRP molded product, a technique is known in which a molded product is taken out from the mold using an ejector pin or compressed air provided in the mold. (For example, Patent Document 3) In the technique disclosed in
特許文献1や特許文献2に開示されるような、金型と基材の両方に対して位置決め基準のマーキングを行い、その基準線を合わす技術においては、目視などで基準線を合わせる必要があるため、製造時間と労力が多くかかるという問題、および、基材の形態保持性が悪いとマーキングが乱れるという問題があった。
As disclosed in
また、特許文献3に開示される技術では、エジェクターピン周りの清掃に時間と労力が多くかかるという問題、および、限られた金型内部に加熱機構と冷却機構と脱型機構を両立させることが困難であった。
Further, in the technique disclosed in
そこで本発明の課題は、特に、熱可塑性FRP成形品を、ほぼ所定寸法通りの形状(ニアネットシェイプ)にヒート&クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供することにある。 Therefore, the subject of the present invention is, in particular, a positioning mechanism in a process of arranging a bulky base material and a thermoplastic resin when a thermoplastic FRP molded product is heat and cool molded into a shape (near net shape) substantially according to a predetermined dimension. An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced plastic manufacturing apparatus and manufacturing method in which the take-out mechanism in the demolding process can be established with a simple apparatus.
上記課題を達成するために本発明のFRPの製造装置は、以下の構成を採用する。すなわち、一対の上下型からなり、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された繊維強化プラスチックの製造装置であって、前記上下型の少なくとも一方の型の周縁部に枠構成部材が取り付けられ、前記枠構成部材は、前記周縁部に部分的に接合された接合部と、該接合部以外で変形可能な非接合部とからなる、繊維強化プラスチックの製造装置である。 In order to achieve the above object, the FRP manufacturing apparatus of the present invention employs the following configuration. That is, a fiber-reinforced plastic manufacturing apparatus comprising a pair of upper and lower molds, wherein at least one mold is configured to be close to the other mold, and a frame component member is provided at a peripheral portion of at least one of the upper and lower molds. The frame constituting member is an apparatus for manufacturing a fiber reinforced plastic, which includes a joint part that is partially joined to the peripheral part and a non-joint part that can be deformed other than the joint part.
また、上記課題を達成するために本発明の繊維強化プラスチックの製造方法は、以下の構成を採用する。少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型の周縁部に枠構成部材が取り付けられ、前記枠構成部材は、前記周縁部に部分的に接合された接合部と、該接合部以外で変形可能な非接合部からなり、前記枠構成部材の内側に強化繊維基材を配置し、前記上下型を近接させて非接合部を前記上下型の周縁部を接触させて、前記強化繊維基材を位置決めするキャビティを形成し、前記強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させる、繊維強化プラスチックの製造方法である。 Moreover, in order to achieve the said subject, the manufacturing method of the fiber reinforced plastic of this invention employ | adopts the following structures. A frame component member is attached to the peripheral part of at least one of a pair of upper and lower molds configured such that at least one mold can approach the other mold, and the frame component member is partially joined to the peripheral part And a non-joint portion that can be deformed other than the joint portion, a reinforcing fiber base material is disposed inside the frame constituent member, and the non-joint portion is made close to the upper and lower molds by bringing the upper and lower molds close to each other. It is a manufacturing method of fiber reinforced plastic which makes a peripheral part contact, forms a cavity which positions the reinforced fiber base material, and makes the reinforced fiber base material impregnate a matrix resin.
本発明によれば、熱可塑性FRP成形品を、ニアネットシェイプにヒート&クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供することができる。 According to the present invention, when a thermoplastic FRP molded product is heat-and-cool molded to a near net shape, a positioning mechanism in a bulky base material and thermoplastic resin placement process and a take-out mechanism in a demolding process are simplified. It is possible to provide a manufacturing apparatus and a manufacturing method for fiber-reinforced plastic that can be established by the apparatus.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below are merely examples of desirable embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.
本発明の第1の実施態様について、図1〜3を用いて説明する。図1は、本発明の一実施態様に係るFRPの製造装置の概略側面図を示している。また、図1に示すFRPの製造装置における変形可能な枠と型の概略図を図2に示している。また、図3は、FRPの製造方法における、工程毎の変形可能な枠と型の位置をそれぞれ示している。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1: has shown the schematic side view of the manufacturing apparatus of FRP which concerns on one embodiment of this invention. FIG. 2 shows a schematic diagram of a deformable frame and mold in the FRP manufacturing apparatus shown in FIG. FIG. 3 shows the position of the deformable frame and mold for each process in the FRP manufacturing method.
図1と図2において、FRPの製造装置8は、昇降機構7と加熱冷却機構6とを有する上型1と、加熱冷却機構6と変形可能な枠3とを有する下型4と、強化繊維基材2にて、構成されている。
1 and 2, an
本発明において、昇降機構7は、上型1と下型4とを適切に近接・加圧・離隔できれば、特に機構および形態を限定するものではない。中でも、動作の精度と加圧力を発揮するために、動力源は流体であることが望ましく、油圧ジャッキであることが好ましい。さらには、型の面積が大きい場合は、装置全体の費用を下げるために、ブラダーと圧空を用いた大面積加圧を採用することが、より好ましい。
In the present invention, the
本発明において、加熱冷却機構6は、強化繊維基材2を適切に加熱・冷却できれば、特に機構および形態を限定するものではない。加熱機構としては、例えば、電熱線や電磁誘導や高温流体やマイクロ波等を利用することができ、特に制御の簡便性や安全性が高いものとして、電熱線を利用することが好ましい。また、冷却機構としては、例えば、低温流体を利用することができ、特に取扱いの簡便性や冷却能力が高いものとして、水を利用することが好ましい。
In the present invention, the heating and
本発明において、上型1、下型4は、必要な強度、剛性があれば特に材料および形態を限定するものではない。中でも、成形品の精度と成形品の表面品位を高めるために、材料は金属であることが望ましく、例えば、スチールであることが好ましく、さらには、熱膨張の観点から、インバーであることがより好ましい。本実施態様では、上型1は平面状のプレートであり、下型4もまた平面状のプレートである。上型1と下型4とを近接させた際、上型1と下型4と変形可能な枠3から形成されるキャビティの断面形状は四角形となる。
In the present invention, the
本発明において、変形可能な枠3は、図2で示すように、下型4の周縁部に接合された接合部31と、変形可能な非接合部32とから構成されている。変形可能な枠3は、必要な強度、剛性があれば特に材料および形態を限定するものではないが、基材配置工程の位置決めの際に、基材の厚みよりも、変形可能な枠3の最高点が高い位置にあり、また基材脱型工程の際に、成形体の厚みよりも変形可能な枠3の最高点が高い位置に来ることができるような、適切な反りを生じる材料が望ましい。材質としては、上型1と下型4とを離隔させるのに伴って、下型4の周縁部から離隔するように変形可能となるものが好ましく、長期間にわたって変形可能な状態を持続できる材質であることがより好ましい。例えば、金属や強化繊維複合材料による板バネ状であると、バネの反発力に応じて容易に変形可能となり好ましい。また、バイメタルを利用して、温度で反りを制御することもできる。変形可能な枠3の厚みは、得ようとする成形品の厚みと同等か、少し薄い程度のものが望ましい。
In the present invention, the
本発明において、強化繊維基材2は、特に材料および形態を限定しないが、FRPを成形するためのマトリックス樹脂があらかじめ含浸されたものを配置することが好ましい。強化繊維基材を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましく、強化繊維の形態としては、例えば、織物、編物、不織布、一方向基材を例示することができる。また、強化繊維基材は、予め設計により定められた繊維配向と繊維量を満たしていることが好ましい。設計に応じた強化繊維基材を利用することにより、繊維配向に沿った強度・剛性をより有効に発現できるようになる。また、強化繊維基材の表面に層間粒子を散布することや、強化繊維基材の内部に熱可塑糸を混在することもできる。また、マトリックス樹脂としては、例えば熱可塑性樹脂が好ましく、例えば、ナイロンやPPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂が利用できる。
In the present invention, the material and form of the reinforcing
本発明に係るFRPの製造方法について、変形可能な枠3の変形に着目しながら説明する。
The method for manufacturing FRP according to the present invention will be described while paying attention to deformation of the
最初に、下型4を準備する。図3(a)に示すように、強化繊維基材2を配置する前は、変形可能な枠3の非接合部32が持ち上がった位置にあることが好ましい。強化繊維基材2を位置決めする際の基準としては、変形可能な枠3の内縁を使用することができる。変形可能な枠3は、強化繊維基材2の厚み方向に向かって反っており、下型4の表面から高さ方向に離れた位置に存在する嵩高い強化繊維基材2の位置決めに際しても、変形可能な枠3の内縁を基準位置として使用することができる。変形可能な枠3と下型4には、強化繊維基材2の配置前に、十分離形処理を行うことが望ましい。
First, the
次に、下型4に強化繊維基材2を配置した状態を、図3(b)に示す。強化繊維基材2を配置する際、手やクランプやロボットハンド等の把持具と、変形可能な枠3との干渉を軽減し、強化繊維基材2の金型へのアクセスを容易にするために、強化繊維基材2の把持する位置と、変形可能な枠3の接合部31の位置を合わせることが望ましい。強化繊維基材2は、変形可能な枠3の内縁に接するように配置することが可能である。
Next, a state where the reinforcing
さらに、上型1(図示せず)を下型4に近接させて、強化繊維基材2を成形した後、上型1を離隔させた状態を図3(c)に示す。上型1を下型4に近接させ、変形可能な枠3の非接合部32を上型3および下型4の周縁部と接触させて、キャビティを形成することが可能である。この際、上型1および下型4と、変形可能な枠3の表面とが接触して止まることによって、成形品の厚みを変形可能な枠3の厚みで制御することも可能である。また、成形する際に、強化繊維基材2に対して、内部の空隙をなくすような十分な加圧を与えるために、成形品の厚みに対して、変形可能な枠3の厚みを少し薄くすることも可能である。この厚みのオフセット量は、使用する樹脂の粘度に従って定めることができる。上型1を下型4に近接させてキャビティを形成した後に、適切に加熱・加圧を行うことで、マトリックス樹脂を強化繊維基材に十分含浸させることができる。
Further, FIG. 3C shows a state in which the upper die 1 (not shown) is brought close to the
最後に、成形後に強化繊維基材2を脱型する状態を図3(d)に示す。マトリックス樹脂を強化繊維基材に十分含浸させて、成形品を得ることができる。上型1を下型4から離隔させて、変形可能な枠3の非接合部32を上型1および下型4の周縁部と成形体から分離させ、その分離点を起点として、成形品を脱型することができる。
Finally, FIG. 3D shows a state in which the reinforcing
このように、本発明に係るFRPの製造装置および製造方法によれば、例えば、熱可塑性FRP成形品をヒート&クール成形する場合や、熱硬化性樹脂を含浸して硬化させるRTM(Resin Tranefer Molding)成形する場合に、嵩高い強化繊維基材2の配置工程における位置決めと、脱型工程における取り出しを、簡易な装置構成で、従来よりも成形作業性、生産性を大幅に向上し、短時間のうちに製造することができる。ここで、熱硬化性樹脂を含浸させる際、加圧して強化繊維基材に含浸させると、短時間での含浸が可能となる。
As described above, according to the FRP manufacturing apparatus and manufacturing method of the present invention, for example, when a thermoplastic FRP molded product is heat-and-cool molded, or an RTM (Resin Transfer Molding) impregnated with a thermosetting resin is cured. ) When molding, positioning in the placement process of the bulky reinforcing
特にマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、金型を温調機構により加熱、冷却してFRP成形品を取り出すため、FRP成形品を傷つけることなく容易に取り出すことができ、さらに次の成形を行うための強化繊維基材の配置を短時間で正確に行うことが可能となる。 In particular, when a thermoplastic resin is used as the matrix resin, the FRP molded product is taken out by heating and cooling the mold with a temperature control mechanism, so that the FRP molded product can be easily taken out without damaging it. It is possible to accurately arrange the reinforcing fiber base material for performing in a short time.
一方、マトリックス樹脂を含浸させる前に強化繊維基材2を複雑形状にあらかじめ賦形したプリフォームを形成することも可能である。具体的には、強化繊維基材2の表面に散布された層間粒子、または強化繊維基材2の内部に混在された熱可塑糸を、加圧、加熱、溶融してプリフォームとすることが好ましい。このようなプリフォームは、RTM成形する場合に特に好適に用いられる。
On the other hand, it is also possible to form a preform in which the reinforcing
また、図4で示す実施形態のように、本発明では、変形可能な枠3と下型4とに位置決め機構33を設けてもよい。上型1と下型4とを近接させ、非接合部32を上型3および下型4の周縁部と接触させてキャビティを形成する際に、位置決め機構33により、キャビティの形状を再現性良く、定めることができる。位置決め機構33の形状は、適切に位置決めできれば、特に機構および形態を限定するものではなく、非接合部32の変形が多少ぶれたとしても、ガイド機能を発現できる四角錐や円錐形状を一部持つことが望ましい。また、変形可能な枠3の端部を、他の端部と突き合わせることのできる形状にすることも好ましい態様である。
Further, as in the embodiment shown in FIG. 4, in the present invention, the
また、図5で示す実施形態のように、本発明では、変形可能な枠3と下型4の形状を特に限定せず、例えば、多角形や、下型4の成形面を曲面とすることもできる。
Moreover, like embodiment shown in FIG. 5, in this invention, the shape of the
本発明に係るFRPの製造装置およびその製造方法を用いることにより、実質的にあらゆるFRP製成形品の製造に適用可能であり、とくに、自動車など大量生産が求められる部材の製造に好適に適用できる。 By using the FRP manufacturing apparatus and the manufacturing method thereof according to the present invention, it can be applied to the manufacture of virtually any FRP molded product, and in particular, can be suitably applied to the manufacture of members such as automobiles that require mass production. .
1 上型
2 強化繊維基材
3 変形可能な枠
31 接合部
32 非接合部
33 位置決め機構
4 下型
5 成形体
6 加熱冷却機構
7 昇降機構
8 製造装置
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